最著名的物理悖论,即将行向完结?

图片来源:Ashley Mackenzie/Quanta Magazine图片来源:Ashley Mackenzie/Quanta Magazine

  暗洞、新闻、纠缠熵、虫洞、拓扑、涨落……50年前霍金挑出的暗洞新闻悖论,犹如正在众数深邃名词的陪同下行向完结。

  由于量子不确定性,暗洞会产生辐射(即霍金辐射),并因此徐徐丢失质量,最后十足挥发。这导致了暗洞新闻悖论,任何落入暗洞的东西犹如都会永世消逝,包括新闻,而这违反了量子力学中时间演化的幺正性,也就是说对于某个粒子,在全空间内肆意时刻找到它的概率答该为1。随着一系列突破性的论文,理论物理学家已经专门挨近于解决近50年来一向困扰着他们的暗洞新闻悖论。现在,他们能够实在地说,新闻实在脱离了暗洞。

  当你跳进一个暗洞,你并不会永世消逝在暗洞中。你身体里一个个粒子的排列手段,也就是新闻,终归会重新展现。大众数物理学家永久以来由于弦论默认这是理所自然的。但这次的计算,固然灵感来自于弦论,却异国涉及弦论。新闻仅仅经过引力和单层量子效答就能脱离暗洞。

  霍金等人试图用量子理论来描述暗洞内部和周围的物质,但是对于引力则仍行使喜欢因斯坦经典的理论,这栽混搭被物理学家们称为“半经典”。

  新的钻研发现了额外的半经典效答,一栽喜欢因斯坦理论批准,但霍金异国考虑的新引力构型。当暗洞年龄很大,这栽效答会占有主导。这时,暗洞从封闭转向盛开。不光是新闻会泄展现来,任何刚落入暗洞的东西都会立即展现。

  这项做事将高度数学的众重计算技巧串在一首,难以注释,难以理解。虫洞、全休原理、涌眼前空、量子纠缠、量子计算……基础物理学中几乎每一个概念都在此展现,让这个主题固然复杂紊乱,却也令人流连忘返。

  佩奇弯线

  上世界70年代,唐·佩奇(Don Page)在霍金名下读钻研生时最先暗洞有关的钻研,他钻研的是让霍金发现暗洞辐射的关键点:暗洞边缘的随机量子过程。

  暗洞抛射出的粒子犹如异国携带任何内部的新闻。倘若别名100公斤的宇航员失踪进暗洞,暗洞质量会增补100公斤。然而,当暗洞辐射出相等于100公斤的能量时,辐射中却不包含任何新闻,你无法分辨这些辐射是来自别名宇航员照样一块铅。

  这是一个很主要的题目,由于暗洞终归要十足挥发,剩下的只是一堆随机乱飞的粒子,任何失踪进往的物体都不能够恢复。这让暗洞的形成和挥发成了一个不能反过程,而这犹如违背了量子力学定律。

  霍金和那时大片面理论物理学家批准了这个结论:倘若不能反转性违背了那时的理论,那答该是理论错了。但是佩奇却感到担心,由于不能反转性会违反时间的基本对称性。1980年,他和导师霍金闹掰了,他认为暗洞必须开释,或者起码保留进入暗洞的新闻。物理学家分成了两派。佩奇说:“大众数广义相对论学者都认同霍金,但是粒子物理学家更倾向于吾的不益看点。”

  他考虑的是这个过程中被无视的片面:量子纠缠。发射的辐射和辐射源答还保持量子力学上的有关。倘若你单独不益看测辐射或者暗洞,它们望首来是随机的。但是倘若同时不益看测两者,它们就会外现出某个模式。就像用暗号添密数据相通,单独的暗号和添密新闻都毫有时义,但是在一首却能解锁新闻。佩奇认为,新闻能够以相通的添密样式从暗洞中被开释。

  佩奇计算了暗洞和辐射之间的纠缠总量,这个总量被称为纠缠熵(entanglement entropy)。最先还异国辐射时,纠缠熵为零。终止时异国暗洞,纠缠熵也为零。在中心过程陪同辐射过程,会产生纠缠熵。总体而言纠缠熵答该像一个倒V字。

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  佩奇计算出,纠缠熵从上升到消极的反转大约在暗洞挥发过程的一半时发生,这个时刻被称为“佩奇时间”。这比物理学家们倘若的早得众,在这个阶段暗洞仍是重大的,已知的物理定律在此照样适用,不会展现亚原子大幼暗洞导致的栽栽奇迹效答。

  佩奇的分析表明暗洞新闻题目是一个悖论,而不光仅是个难题。它袒露了半经典近似的内在冲突。

  乐不益看来望,佩奇的不益看点为解决题目铺平了道路。他证实,倘若纠缠熵按照佩奇弯线(Page curve),那么新闻就会从暗洞中逃逸。云云,他把争吵转化成了计算,而物理学家们总是更喜欢计算。

  尽管佩奇阐清新物理学家必须做什么,但他们花了将近三十年才弄清新要怎么做。

  暗洞内外

  以前两年,物理学家已经外明,暗洞的纠缠熵实在按照佩奇弯线,新闻会从暗洞中逃逸。他们分阶段伸开了分析。最先,他们展现了弦论的见解。然后,在往年秋天发外的论文中,钻研人员彻底堵截了弦论的奴役。

  这项做事于2018年10月启行,那时艾哈迈德·阿尔姆海里(Ahmed Almheiri)挑出钻研暗洞如何挥发。阿尔姆海里很快与几位同事一首,行使了胡安·马尔达塞纳(Juan Maldacena)于1997年竖立的学说。

  AdS/CFT对偶,全称为反德西特/共形场论对偶,常被称为全休理论。它外明包含量子引力理论的n+1维AdS空间和这个空间n维边界上的共形场论对调。换句话说,钻研暗洞表面和钻研包含量子引力的暗洞内部是等价的,却避开了量子引力,同时也降矮了维度。由于这栽特性,自从马尔达塞纳介绍这栽理论以来,它一向都是弦论学者最喜欢的游乐场。

  经过众年的钻研,现在物理学家们现在已经能确定暗洞内部和边界的对答有关。其中关键是计算量子极值表面。就像吹胖皂泡相通,气泡的自然形状请求它表面积最幼。量子极值表面并纷歧定是胖皂泡那样的球面,由于这边行使的几何规则能够和吾们平时熟识的规则有所迥异,量子效答也会对其产生影响。正因如此,能够将其当作暗洞几何学和量子效答的探针。

  经过量子极值表面,钻研人员获得两条主要新闻。最先,弯面将暗洞内片面成两个片面,它们各自和边界的一片面对答。其次,表面积与边界两片面之间的片面纠缠熵成正比。因此,量子极值表面将几何概念(面积)与量子概念(纠缠)有关首来,从而窥探引力和量子理论如何同一。

  用量子极值表面钻研暗洞挥发时,钻研人员发现了一件奇迹的事情。挥发早期,边界的纠缠熵如预期那样增补,由于暗洞是这个空间内唯一的东西。到现在为止,霍金的原首计算外现还不错。

  变化骤然展现了,量子极值表面在视界内骤然展现,最后成为导致熵消极的决定性因素。

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  这意味着三件事。第一,这栽骤然的转折标志着新物理学的最先,这是霍金异国考虑到的。第二,极值表面将宇宙一分为二。一片面等效于边界,另一片面是异国新闻的危险地带。第三,量子极值表面的位置至关主要。它位于暗洞视界之内。当暗洞缩短,量子极值表面和纠缠熵都缩短了。这是第一次经过计算得出了佩奇展望的纠缠熵消极。

  2019年8月,阿尔姆海里和另一组钻研者将仔细力转向了辐射。他们发现暗洞和它发射的辐射按照相通的佩奇弯线,因此新闻必须从一个弯线迁移到另一个弯线。计算并异国外明它是如何迁移的,只说会有这栽迁移。

  他们还发现随着暗洞的挥发,正本暗洞深处的粒子不再是暗洞的一片面,而成为辐射的一片面。粒子并异国飞出暗洞,只是被重新分配了。正是这些内部粒子造成了暗洞和辐射之间的纠缠熵。倘若不再是暗洞的一片面,它们就不再对熵有贡献,这也注释了为何熵为何最先缩短。

  进入虫洞

  现在为止的计算都行使了AdS/CFT对偶,但毕竟它只是一栽学说。下一步脱离它来考虑暗洞。

  钻研人员借鉴了理查德·费曼(Richard Feynman)在20世纪40年代竖立的概念:路径积分。在量子力学中,从A到B的粒子会经过一切能够的路径,而这些路径又被添权相符并。权重最高的路径清淡就是经典物理中得到的路径,但并非总是如此。倘若权重转折,粒子能够从一条路径骤然移行到另一条路径,经历一个经典物理中不能够的过渡。

  在霍金望来,一切的路径意味着一切的拓扑。时空能够会形成各栽扭结,额外的连接创造了连接迢遥时空的通道,也就是“虫洞”。科幻幼说钟喜欢虫洞,不过钻研人员这次在分析暗洞题目时,只是一时采纳了这个概念。

  考虑一切拓扑是不能够的,由于它们是不能数的。因此他们只望那些对暗洞挥发最主要的拓扑。在数学上,它们被称为鞍点,望上往是相等平直的几何形状。末了,团队行使了片面的拓扑,并将路径积分行为识别鞍点的序言。

  将路径积分行使于暗洞及其辐射后,就能计算纠缠熵了。

  效果表现虫洞和单个暗洞的权重基本上和它们的纠缠熵负有关。虫洞有许众纠缠熵,因此最先时权重很矮。当它们的熵缩短时,霍金辐射一向攀升。最后,虫洞成为两者的主导,接管了暗洞。这栽从一栽几何到另一栽的转折在经典的广义相对论中是不能够的,这是一栽固有的量子过程。额外的几何构型和其中的转折过程是这次分析的主要发现。

  2019年11月,两组物理学家发布了他们的收获,外明他们重现了佩奇弯线。云云,他们证实了暗洞辐射同时也会带行落入暗洞的新闻。弦论不消是对的,即使是弦论坚定的指斥者,也能经过引力路径积分解决题目。

  还未完结

  有人对分析中行使的摇摇欲坠的理想化倘若感到担心,现今的物理学家是否落入了某栽组织?

  倘若疑心的因为是近来的做事是过于复杂且初步的,云云的疑心是专门有道理的。物理学家必要时间来消化这些效果——或是发现致命的舛讹,或是证实效果切确。毕竟,即使是这些做事背后的物理学家也异国意料他们在异国完善量子引力理论的情况下,就能解决暗洞新闻悖论。原形上,他们认为这个悖论是窥探这个理论的主要支点。

  但就现在而言,这最众只是起头的终止,关于暗洞的追求远未到终点。理论物理学家还异国绘制出新闻从暗洞中逃逸的过程。修订后的半经典理论还异国注释新闻如何重新展现,但是在以前两年中,理论物理学家已经找到了逃离机制的线索。

  不过重大的机遇往往也陪同重视大的挑衅。倘若涉及量子引力的深入计算,整个理论能够反而更难完善。期待这次物理学家能解决这些题目,而不是被天主开了一个水中捞月的玩乐。

  当不仔细失踪入暗洞的宇航员问能否行出来时,物理学家会回答:“自然能够!”但是当宇航员问怎么出来时,物理学家令人担心的回答是:“还不清新。”

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